Android 绘制原理浅析【干货】
背景
对于Android开发，在面试的时候，经常会被问到，说一说View的绘制流程？我也经常问面试者，View的绘制流程.
对于3年以上的开发人员来说，就知道onMeasure/onLayout/onDraw基本，知道他们呢是干些什么的，这样就够了吗？
如果你来我们公司，我是你的面试官，可能我会考察你这三年都干了什么,对于View你都知道些什么，会问一些更细节的问题，比如LinearLayout的onMeasure,onLayout过程?他们都是什么时候被发起的,执行顺序是什么？
如果以上问题你都知道,可能你进来我们公司就差不多了（如果需要内推，可以联系我，Android/IOS 岗位都需要），可能我会考察你draw的 canvas是哪里来的,他是怎么被创建显示到屏幕上呢？看看你的深度有多少？
对于现在的移动开发市场逐渐趋向成熟，趋向饱和，很多不缺人的公司，都需要高级程序员.在说大家也都知道，面试要造飞机大炮，进去后拧螺丝,对于一个3年或者5年以上Android开发不稍微了解一些Android深一点的东西,不是很好混.扯了这么多没用的东西，还是回到今天正题，Android的绘图原理浅析.
本文介绍思路
从面试题中几个比较容易问的问题，逐层深入，直至屏幕的绘图原理.
在讲Android的绘图原理前，先介绍一下Android中View的基本工作原理，本文暂不介绍事件的传递流程.
View 绘制工作原理
我们先理解几个重要的类，也是在面试中经常问到的
Activity,Window(PhoneWindow),DecorView之间的关系
理解他们三者的关系，我们直接看代码吧，先从Activity开始的setContentView开始(注:代码删除了一些不是本次分析流程的代码,以免篇幅过长)
//Activity
/**
* Set the activity content from a layout resource. The resource will be
* inflated, adding all top-level views to the activity.
*
* @param layoutResID Resource ID to be inflated.
*
* @see #setContentView(android.view.View)
* @see #setContentView(android.view.View, android.view.ViewGroup.LayoutParams)
*/
public void setContentView(@LayoutRes int layoutResID) {
getWindow().setContentView(layoutResID);
initWindowDecorActionBar();
}
public Window getWindow() {
return mWindow;
}
里面调用的getWindow的setContentView,这个接下来讲,那么这个mWindow是何时被创建的呢？
//Activity
private Window mWindow;
final void attach(Context context, ActivityThread aThread,····） {
attachBaseContext(context);
mFragments.attachHost(null /*parent*/);
mWindow = new PhoneWindow(this, window, activityConfigCallback);
}
在Activity的attach中创建了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的实现类.
继续刚才的setContentView
//PhoneWindow
@Override
public void setContentView(int layoutResID) {
if (mContentParent == null) {
installDecor();
} else if (!hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
mContentParent.removeAllViews();
}
if (hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
final Scene newScene = Scene.getSceneForLayout(mContentParent, layoutResID,
getContext());
transitionTo(newScene);
} else {
mLayoutInflater.inflate(layoutResID, mContentParent);
}
}
在setContentView中，如果mContentParent为空，会去调用installDecor,最后将布局infalte到mContentParent.在来看一下installDecor
//PhoneWindow
// This is the view in which the window contents are placed. It is either
// mDecor itself, or a child of mDecor where the contents go.
ViewGroup mContentParent;
private DecorView mDecor;
private void installDecor() {
mForceDecorInstall = false;
if (mDecor == null) {
mDecor = generateDecor(-1);
} else {
mDecor.setWindow(this);
}
if (mContentParent == null) {
mContentParent = generateLayout(mDecor);
}
}
protected DecorView generateDecor(int featureId) {
return new DecorView(context, featureId, this, getAttributes());
}
在installDecor，创建了一个DecorView.看mContentParent的注释我们可以知道,他本身就是mDecor或者是mDecor的contents部分.
综上，我们大概知道了三者的关系，
- Activity包含了一个PhoneWindow，
- PhoneWindow就是继承于Window
- Activity通过setContentView将View设置到了PhoneWindow上
- PhoneWindow里面包含了DecorView，最终布局被添加到Decorview上.
理解ViewRootImpl,WindowManager,WindowManagerService(WMS)之间的关系
看了上述三者的关系后，我们知道布局最终被添加到了DecorView上.那么DecorView是怎么被添加到系统的Framework层.
当Activity准备好后，最终会调用到Activity中的makeVisible，并通过WindowManager添加View,代码如下
//Activity
void makeVisible() {
if (!mWindowAdded) {
ViewManager wm = getWindowManager();
wm.addView(mDecor, getWindow().getAttributes());
mWindowAdded = true;
}
mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
}
那他们到底是什么关系呢？
(下面提到到客户端服务端是Binder通讯中的客户端服务端概念.
)
以下内容是重点需要理解的部分
-
ViewRootImpl(客户端):View中持有与WMS链接的mAttachInfo，mAttachInfo持有ViewRootImpl.ViewRootImpl是ViewRoot的的实现,WMS管理窗口时，需要通知客户端进行某种操作，比如事件响应等.ViewRootImpl有个内部类W,W继承IWindow.Stub，实则就是一个Binder，他用于和WMS IPC交互。ViewRootHandler也是其内部类继承Handler，用于与远程IPC回来的数据进行异步调用.
-
WindowManger(客户端):客户端需要创建一个窗口，而具体创建窗口的任务是由WMS完成,WindowManger就像一个部门经理，谁有什么需求就告诉它，它和WMS交互，客户端不能直接和WMS交互.
-
WindowManagerService(WMS)(服务端):负责窗口的创建,显示等.
View的重绘
从上述关系中，ViewRootImpl是用于接收WMS传递来的消息.那么我们来看一下ViewRootImpl里面的几个关于View绘制的代码.
在这里在强调一下,ViewRootImpl 两个重要的内部类
- W类 继承Binder 用于接收WMS 传递来的消息
- ViewRootHandler类继承Handler 接收W类的异步消息
下面看一下ViewRootHandler类.（以View的setVisible为例.）
// ViewRootHandler(ViewRootImpl的内部类，用于异步消息处理，和Acitivity的启动很像)
//第一步 Handler接收W（Binder）传递来的消息
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
switch (msg.what) {
case MSG_INVALIDATE:
((View) msg.obj).invalidate();
break;
case MSG_INVALIDATE_RECT:
final View.AttachInfo.InvalidateInfo info = (View.AttachInfo.InvalidateInfo) msg.obj;
info.target.invalidate(info.left, info.top, info.right, info.bottom);
info.recycle();
break;
case MSG_DISPATCH_APP_VISIBILITY://处理Visible
handleAppVisibility(msg.arg1 != 0);
break;
}
}
void handleAppVisibility(boolean visible) {
if (mAppVisible != visible) {
mAppVisible = visible;
scheduleTraversals();
if (!mAppVisible) {
WindowManagerGlobal.trimForeground();
}
}
}
void scheduleTraversals() {
if (!mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = true;
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
//开启下次刷新，就遍历View树
mChoreographer.postCallback(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
if (!mUnbufferedInputDispatch) {
scheduleConsumeBatchedInput();
}
notifyRendererOfFramePending();
pokeDrawLockIfNeeded();
}
}
看一下mTraversalRunnable
final class TraversalRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
doTraversal();
}
}
final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();
void doTraversal() {
if (mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = false;
mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
performTraversals();
}
}
在TraversalRunnable中，执行doTraversal.并在doTraversal执行performTraversals(),是不是看到了我们熟悉的performTraversals()了?是的，在这里才开始View的绘制工作.
在ViewRootImpl中的performTraversals()，这个方法代码很长（大约800行代码），大致流程是
- 判断是否需要重新计算视图大小,如果需要就执行performMeasure()
- 是否需要重新安置所在的位置,performLayout()
- 是否需要重新绘制performDraw()
那么是什么导致View的重绘呢？这里总结了3个主要原因
- 视图本身内部状态(enable，pressed等)变化,可能引起重绘
- View内部添加或者删除了View
- View本身的大小和可见性发生了变化
View的绘制流程
在上一小节了,讲述了performTraversals()的是被WMS IPC调用执行的.View的绘制流程一般是
从performTraversals -> performMeasure() -> performLayout() -> performDraw().
下面看一下performMeasure()
//ViewRootImpl
private void performMeasure(int childWidthMeasureSpec, int childHeightMeasureSpec) {
if (mView == null) {
return;
}
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "measure");
try {
mView.measure(childWidthMeasureSpec, childHeightMeasureSpec);
} finally {
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
}
}
public final void measure(int widthMeasureSpec, int heightMeasureSpec) {
MeasureSpec.getMode(widthMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY
&& MeasureSpec.getMode(heightMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY;
final boolean matchesSpecSize = getMeasuredWidth() == MeasureSpec.getSize(widthMeasureSpec)
&& getMeasuredHeight() == MeasureSpec.getSize(heightMeasureSpec);
final boolean needsLayout = specChanged
&& (sAlwaysRemeasureExactly || !isSpecExactly || !matchesSpecSize);
if (forceLayout || needsLayout) {
mPrivateFlags &= ~PFLAG_MEASURED_DIMENSION_SET;
resolveRtlPropertiesIfNeeded();
int cacheIndex = forceLayout ? -1 : mMeasureCache.indexOfKey(key);
if (cacheIndex < 0 || sIgnoreMeasureCache) {
//在这里调用了onMeasure 方法
onMeasure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec);
mPrivateFlags3 &= ~PFLAG3_MEASURE_NEEDED_BEFORE_LAYOUT;
}
}
}
最终调用了View的measure方法，而View中的measure()方法被定义成final类型,保证整个流程的执行.performLayout()和performDraw()也是类似的过程.
而对于程序员，自定义View只需要关注他提供出来几个对应的方法,onMeasure/onLayout/onDraw.
关于这方面知识的网上介绍的资料很多，也可以很容易的看到View及ViewGroup里面的代码,推荐看LinerLayout的源码理解这部分知识，在这里不详细展开.
Android的绘图原理浅析
Android屏幕绘制
关于绘制，就要从performDraw()说起，我们来看一下这个流程到底是怎么绘制的.
//ViewRootImpl
//1
private void performDraw() {
try {
draw(fullRedrawNeeded);
} finally {
mIsDrawing = false;
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
}
}
//2
private void draw(boolean fullRedrawNeeded) {
Surface surface = mSurface;
if (!surface.isValid()) {
return;
}
if (!drawSoftware(surface, mAttachInfo, xOffset, yOffset, scalingRequired, dirty)) {
return;
}
}
//3
private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
boolean scalingRequired, Rect dirty) {
Canvas canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
}
看代码执行流程，1—>2->3, 最终拿到了Java层的canvas,然后进行一系列绘制操作.而canvas是通过Suface.lockCanvas()得到的.
那么Surface又是一个什么呢？在这里Surface只是一个抽象,在APP创建窗口时，会调用WindowManager向WMS服务发起一个请求，携带上surface对象,只有他被分配完一段屏幕缓冲区才能真正对应屏幕上的一个窗口.
来看一下Framework中的绘图架构.更好的理解Surface
image
Surface本质上仅仅代表了一个平面，绘制不同图案显然是一种操作，而不是一段数据，Android使用了Skia绘图驱动库来进行平面上的绘制，在程序中使用canvas来表示这个功能.
双缓冲技术的介绍
在ViewRootImpl中,我们看到接收到绘制消息后，不是立刻绘制而是调用scheduleTraversals,在scheduleTraversals调用Choreographer.postCallback()，这又是因为什么呢？这其实涉及到屏幕绘制原理(除了Android其他平台也是类似的).
image
我们都知道显示器以固定的频率刷新，比如 iPhone的 60Hz、iPad Pro的 120Hz。当一帧图像绘制完毕后准备绘制下一帧时，显示器会发出一个垂直同步信号（VSync），所以 60Hz的屏幕就会一秒内发出 60次这样的信号。
并且一般地来说，计算机系统中，CPU、GPU和显示器以一种特定的方式协作：CPU将计算好的显示内容提交给 GPU，GPU渲染后放入帧缓冲区，然后视频控制器按照 VSync信号从帧缓冲区取帧数据传递给显示器显示.
但是如果屏幕的缓冲区只有一块，那么这个VSync同步信号发出时，
开始刷新屏幕，那么你看到的屏幕就是一条一条的数据在变化.为了让屏幕看上去是一帧一帧的数据，一般都有两块缓冲区(也被成为双缓冲区).当数据要刷新时，直接替换另一个缓冲区的数据.
双缓冲技术里面，如果不能特定时间刷新完的话(如果60HZ的话，就是16ms内)把这个缓冲区数据刷新完成,屏幕发出VSync同步信号,无法完成两个缓冲区的切换，那么就会造成卡顿现象.
回到scheduleTraversals()上，这个地方就是使用了双缓冲技术(或者三缓冲技术),Choreographer接收VSync的同步信号，当屏幕刷新来时，开始屏幕的刷新操作.
文末
Android的绘制原理浅析，介绍完了，以上内容可能有不对的地方，希望各路大神指教.
（如果你正在看Flutter）推荐阅读
其他相关文章
参考资料
《Android 内核剖析》
